專利名稱：一種基于等長ca碼的軟件gps接收機跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及軟件GPS接收機跟蹤方法，尤其是涉及一種基于等長CA碼的軟件GPS接 收機跟蹤的方法。
技術(shù)背景衛(wèi)星導航技術(shù)的飛速發(fā)展已逐漸取代了無線電導航、天文導航等傳統(tǒng)導航技術(shù)，而 成為一種普遍采用的導航定位技術(shù)，并在精度、實時性、全天候等方面取得了長足進步。目前，世界上正在運行的全球衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)主要有兩大系統(tǒng) 一是美國的GPS系統(tǒng)， 二是俄羅斯的GLONASS (格魯納斯)系統(tǒng)。近年來，歐洲也提出了有自己特色的"伽利 略"全球衛(wèi)星定位計劃。因而，未來密布在太空的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)將形成美、俄、歐 操縱的GPS、"格魯納斯"、"伽利略"三大系統(tǒng)競爭的局面。GPS接收機的跟蹤方法是GPS接收機最核心的算法之一。傳統(tǒng)的GPS接收機跟蹤方 法如圖1所示，(1)獲取上次記錄的載波頻率和碼相位信息；(2)讀取對應(yīng)載波頻率 和載波相位的載波；(3)讀取碼相位對應(yīng)的CA碼；(4)采用相關(guān)積分方法，計算早碼、 即時碼和晚碼的I、 Q支路的6個數(shù)值；(5)使用上述6個數(shù)值進行環(huán)路濾波，計算新 的載波頻率、載波相位和碼相位，并尋找數(shù)據(jù)跳變位；(6)運行其它任務(wù)調(diào)度(如衛(wèi)星捕 獲和定位解算)；(7)等待下一個數(shù)據(jù)塊的到達。由于多普勒頻率偏移的影響，GPS接收機在跟蹤中一般均使用周期的CA碼，參見 Borre， K., D. Akos， D. Bertelsen, P. Rinder and S. JTensen, "A Software-Defined GPS and Galileo Receiver - A Single Frequency Approach" , Birkhauser Boston, 2006. P. 147。但在軟件接收機系統(tǒng)中，等周期的CA碼生成可能占用軟件處理器的大量 額外時間或空間，導致軟件算法的復雜性，及時間的延長和占用大量的空間。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于等長CA碼的軟件GPS 接收機跟蹤方法，該方法使用等長CA碼進行跟蹤，使運算變得簡單和節(jié)省時間和空間， 同時消除了跳變點和跟蹤環(huán)路誤差。本發(fā)明的技術(shù)解決方案 一種等長CA碼的軟件GPS接收機跟蹤方法，包括以下步驟(1)獲取上次記錄的載波頻率和碼相位信息；(2) 根據(jù)獲取的載波頻率，讀取載波査找表中對應(yīng)載波頻率和載波相位的載波數(shù)據(jù);(3) 根據(jù)獲取的碼相位信息，動態(tài)產(chǎn)生等長的C/A碼査找表，以減小查找的復雜度;(4) 根據(jù)碼相位信息，讀取所述的等長C/A碼查找表中對應(yīng)的等長C/A碼；(5) 采用兩段積分方法，對接收到的GPS信號、I和Q支路兩個載波數(shù)據(jù)，及所讀取 的等長C/A碼進行I、 Q支路早碼、即時碼和晚碼積分，兩段積分后共得到12個積分數(shù) 值，這樣避免了積分跨越導航電文數(shù)據(jù)跳變位；(6) 對第一段即時碼的I支路和第二段即時碼的I支路的積分數(shù)值的符號進行比較， 判斷是否存在導航電文數(shù)據(jù)跳變位；(7) 如果存在導航電文的數(shù)據(jù)跳變位，則將步驟(5)得到的兩段積分數(shù)值相減，如 果不存在導航電文的數(shù)據(jù)跳變位，則將步驟(5)得到的兩段積分數(shù)值相加，得到共6個 積分數(shù)值；(8) 采用所述的6個積分數(shù)值進行環(huán)路濾波，計算新的載波頻率、載波相位和碼相 位，同時設(shè)定浮點型的數(shù)據(jù)跳變位，以整數(shù)部分表示數(shù)據(jù)位的周期數(shù)，小數(shù)部分表示漂 移的碼相位；采用新的載波頻率、載波相位和碼相位修正由于多普勒頻移引起的碼相位 漂移；(9) 判斷浮點型數(shù)據(jù)跳變位是否跨越整數(shù)，如果跨越整數(shù)則存在多普勒頻移引起的 碼相位漂移，通過重同步修改方法，修正由于多普勒頻移引起的導航電文漂移，修正完 后等待下一數(shù)據(jù)塊；如果不跨越整數(shù)，則不存在多普勒頻移引起的碼相位漂移，等待下 一數(shù)據(jù)塊。所述的步驟(5)中兩段積分為根據(jù)碼相位信息，將采樣信號在碼相位處分解為前后 兩個采樣部分。所述的步驟(6)中判斷存在導航電文的數(shù)據(jù)跳變位的方法為如果兩個數(shù)值符號相 同，則說明不存在導航電文的數(shù)據(jù)跳變位；如果兩個數(shù)值符號不同，則存在導航電文的 數(shù)據(jù)跳變位；所述的步驟(9)中的重同步修正方法為(1) 根據(jù)GPS的CA碼周期為Mras，導航電文頻率為DHz，導航電文中連續(xù)1或者 連續(xù)-1的個數(shù)為n=1000/M/D;(2) 當浮點計數(shù)的導航電文數(shù)據(jù)的浮點部分從正向穿越0時，導航電文中連續(xù)1 或者連續(xù)-1的個數(shù)為n+l個，為保證導航電文中連續(xù)1或者連續(xù)-1的個數(shù)為n，在浮點 型數(shù)據(jù)跳變位正向跨越整數(shù)時，將跳變位的位置向前挪一位；(3)當浮點計數(shù)的導航電文數(shù)據(jù)的浮點部分從反向穿越0時，導航電文中連續(xù)1或者連續(xù)-1的個數(shù)可能為n-1個，為保證導航電文中連續(xù)l或者連續(xù)-l的個數(shù)為n，在浮點型數(shù)據(jù)跳變位反向跨越整數(shù)時，將跳變位的位置向后挪一位。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于(1) 根據(jù)GPS C/A碼標準，建立等長度的CA碼查找表，在查找表中CA碼的碼速 率和長度不受衛(wèi)星多普勒的影響，碼速率保持為1.023MHz,碼長度保持為l毫秒。這樣 就使得GPS軟件接收機通常能夠?qū)⑤d波和C/A碼的內(nèi)存査找表大小壓縮在5M字節(jié)左右， 使該體系結(jié)構(gòu)的軟件接收機能夠應(yīng)用在內(nèi)存有限的通用PC、通用DSP和專用DSP平臺中， 使運算變得簡單和節(jié)省時間和空間。(2) 使用產(chǎn)生的等長GPS C/A碼進行GPS軟件接收機的跟蹤運算，由于積分可能 跨越跳變點，本發(fā)明對數(shù)字采樣數(shù)據(jù)采用分段相關(guān)積分的方法進行計算，相關(guān)器每次都 采樣相同長度的采樣數(shù)據(jù)和C/A進行相關(guān)運算，忽略了多普勒現(xiàn)象的影響，消除了跳變 點和跟蹤環(huán)路誤差。(3) 如上述步驟(5)，將采樣信號在碼相位處分解為兩個采樣片斷，將兩個片斷 分別和所產(chǎn)生的C/A碼進行兩次相關(guān)積分運算，將積分結(jié)果分為跳變點前和跳變點后的 兩個積分結(jié)果，從而避免積分跨越數(shù)據(jù)位跳變點，消除了跳變點和跟蹤環(huán)路誤差。(4) 使用產(chǎn)生的等長GPS C/A碼進行GPS軟件接收機的跟蹤運算，忽略了由于多 普勒頻移引起的碼相位漂移，通過將比特位跳變點采用非整型記錄方式，可以修正這一 碼相位漂移。在跳變位的浮點表示法中，整數(shù)部分表示數(shù)據(jù)位的周期數(shù)，小數(shù)部分表示 漂移的碼相位。(5) 通過重同步機制，修正由于忽略多普勒頻率偏移引起的導航電文漂移。當記 錄的跳變位置正向跨越整數(shù)或者反向跨越整數(shù)時，跳變點也隨之產(chǎn)生變化，通過修正積 分計數(shù)值來修正碼相位漂移對導航電文的影響。


圖1為傳統(tǒng)的GPS中頻信號跟蹤方法處理流程圖； 圖2為本發(fā)明的跟蹤方法處理流程圖； 圖3為傳統(tǒng)的等周期C/A碼示意圖； 圖4為本發(fā)明的等長C/A碼示意圖；圖5為本發(fā)明的等長C/A碼與等周期C/A碼之間存在的誤差示意圖； 圖6為本發(fā)明的分段積分示意圖；圖7為本發(fā)明的浮點型跳變位是否跨越整數(shù)示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明中處理的數(shù)據(jù)是GPS中頻數(shù)字信號，該信號是由GPS射頻信號通過硬件進行 下變頻后采樣得到的。數(shù)字中頻信號的采樣頻率必須符合過采樣或帶通采樣定律，通常 情況大于5MHz。對數(shù)字中信信號的處理是基于數(shù)據(jù)塊進行的，即每次從采集系統(tǒng)或者文 件系統(tǒng)中獲取一定數(shù)量的采樣數(shù)據(jù)(譬如32毫秒的采樣數(shù)據(jù))。通常，GPS軟件接收機 會對于每一個進入衛(wèi)星跟蹤的通道的采樣數(shù)據(jù)進行以下處理，如圖2所示，本發(fā)明的具 體步驟如下-(1)獲取上次記錄的載波頻率和碼相位信息；。 (2)根據(jù)獲取的載波頻率，讀取載波查找表中對應(yīng)載波頻率和載波相位的載波數(shù)據(jù)。(3) 根據(jù)獲取的碼相位信息，動態(tài)產(chǎn)生等長的C/A碼查找表，以減小査找的復雜度。 根據(jù)GPSC/A碼標準，其序列長度為1023位(碼片數(shù))。因為CA碼的碼片速率是L 023MHz，所以偽隨機序列的重復周期是lms。這里，產(chǎn)生等長的CA碼代替整周期的CA 碼，具體生成方法參見ICD200c 。等周期C/A碼，如圖3所示，不同時刻，不同衛(wèi)星對 應(yīng)的C/A碼長度各不相同，從而導致軟件接收機中軟件算法的巨大復雜性。如圖4所示， 本發(fā)明建立等長度的CA碼査找表，在查找表中CA碼的碼速率和長度不受衛(wèi)星多普勒的 影響，碼速率保持為1.023MHz，碼長度保持為l毫秒。這樣就使得GPS軟件接收機通常 能夠?qū)⑤d波和C/A碼的內(nèi)存查找表大小壓縮在5M字節(jié)左右，使該體系結(jié)構(gòu)的軟件接收機 能夠應(yīng)用在內(nèi)存有限的通用PC、通用DSP和專用DSP平臺中。(4) 根據(jù)碼相位信息，讀取所述的等長C/A碼査找表中對應(yīng)的等長C/A碼；(5) 采用兩段積分方法，對接收到的GPS信號、I和Q支路兩個載波數(shù)據(jù)，及所讀取 的等長C/A碼進行I、 Q支路早碼、即時碼和晚碼積分，兩段積分后共得到12個積分數(shù) 值，這樣避免了積分跨越導航電文數(shù)據(jù)跳變位。如圖5所示，由于等長C/A碼與等周期C/A碼之間存在的誤差，采樣信號可能存在 和C/A碼不對齊的問題。根據(jù)理論計算，這個問題可能引起的信號損失大約是0.014dB (多普勒小于10KHz)。本發(fā)明采用分段積分方法，將一直記錄這個誤差,當該誤差累積 到一個碼片以后，就進行相應(yīng)的碼相位調(diào)整；累積到超過1個C/A碼周期，就進行相應(yīng) 的導航電文跳變位調(diào)整，以避免積分跨越導航電文數(shù)據(jù)跳變點。如圖6所示，將采樣信 號在碼相位處分解為前后兩個采樣部分，分別和C/A碼進行相關(guān)累加運算。根據(jù)兩段積 分結(jié)果的符號差異可以對導航電文數(shù)據(jù)跳變點進行預測，從而避免積分跨越跳變點。為避免噪聲對累加符號位的影響，計算早碼、即時碼和晚碼的I、 Q支路累加結(jié)果的兩個部 分分別存儲在不同時間的導航電文中，從而保證消除算法的結(jié)果不易受到噪聲的影響。
對于兩段積分方法，12個積分數(shù)值的具體計算步驟如下
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中，N為lms的數(shù)據(jù)采樣點數(shù)，M為兩段積分中前一段的數(shù)據(jù)采樣點數(shù)，s")為采
樣時刻fi接收到的信號，r + A)， C"")及C《.-r-A)分別表示C/A碼的早碼，即
時碼和晚碼，r為估計的時間延時，A為早碼，即時碼，晚碼之間的碼間隔，力，P分別
為估計多普勒頻率及初始載波相位。
(6)對第一段即時碼的I支路和第二段即時碼的I支路的積分數(shù)值的符號進行比較， 判斷是否存在導航電文數(shù)據(jù)跳變位；如果兩個數(shù)值符號相同，則說明不存在導航電文的數(shù)據(jù)跳變位；如果兩個數(shù)值符號不同，則存在導航電文的數(shù)據(jù)跳變位。
(7) 如果存在導航電文的數(shù)據(jù)跳變位，則將步驟(5)得到的兩個片段的積分數(shù)值對 應(yīng)相減，如果不存在導航電文的數(shù)據(jù)跳變位，則將步驟(5)得到的兩段積分數(shù)值對應(yīng)相 加，得到共6個積分數(shù)值。
即如果步驟(5)中得到的^和^2符號相反，則可能存在導航電文的數(shù)據(jù)跳變位， 此時
<formula>formula see original document page 9</formula>反之，如果^和/m符號相同，則不存在導航電文的數(shù)據(jù)跳變位，此時-
<formula>formula see original document page 9</formula>
這樣，得到4， /P， A，仏，込，込6個積分數(shù)值。
(8) 釆用所述的6個積分數(shù)值進行環(huán)路濾波，計算新的載波頻率、載波相位和碼相 位，同時設(shè)定浮點型的數(shù)據(jù)跳變位，以整數(shù)部分表示數(shù)據(jù)位的周期數(shù)，小數(shù)部分表示漂 移的碼相位；采用新的載波頻率、載波相位和碼相位修正由于多普勒頻移引起的碼相位 漂移。
在使用等長C/A碼的計算過程中，導航電文的頻率也受到多普勒頻率偏移的影響， 這引起導航電文的跳變點并不會在整數(shù)毫秒的位置出現(xiàn)。如果多普勒頻率為正值時，跳 變點會逐步左移；而多普勒頻率為負值時，跳變點會逐步右移。因此，本發(fā)明使用浮點 型數(shù)據(jù)來表示導航電文數(shù)據(jù)位跳變點的位置，其中整數(shù)部分為跳變點實際位置，而小數(shù) 部分則表示受碼相位變化影響以后的跳變點位置。圖7所示為跳變點以百分之一的速度 時，浮點計數(shù)方法下的跳變點情況。
(9) 判斷浮點型數(shù)據(jù)跳變位是否跨越整數(shù)，如果跨越整數(shù)則存在多普勒頻移引起的 碼相位漂移，通過重同步修改方法，修正由于多普勒頻移引起的導航電文漂移，修正完 后等待下一數(shù)據(jù)塊如果不跨越整數(shù)，則不存在多普勒頻移引起的碼相位漂移，等待下
一數(shù)據(jù)塊。
(1)根據(jù)GPS的CA碼周期為lms，導航電文頻率為50Hz。導航電文中連續(xù)1或者連續(xù)-1的個數(shù)為20個。
(2) 受到多普勒對導航電文數(shù)據(jù)率的影響，當浮點計數(shù)的導航電文數(shù)據(jù)的浮點部 分從正向穿越0時(例如，從1.01變?yōu)?.99)，導航電文中連續(xù)1或者連續(xù)-1的個數(shù) 為21個。為保證導航電文中連續(xù)1或者連續(xù)_1的個數(shù)為20，在浮點型數(shù)據(jù)跳變位正向 跨越整數(shù)時，將跳變位的位置向前挪一位。
(3) 受到多普勒對導航電文數(shù)據(jù)率的影響，當浮點計數(shù)的導航電文數(shù)據(jù)的浮點部 分從反向穿越O時(例如，從0.99變?yōu)?.01)，導航電文中連續(xù)1或者連續(xù)-1的個數(shù) 可能為19個。為保證導航電文中連續(xù)i或者連續(xù)-1的個數(shù)為20，在浮點型數(shù)據(jù)跳變位 反向跨越整數(shù)時，將跳變位的位置向后挪一位。
權(quán)利要求
1. 一種等長CA碼的軟件GPS接收機跟蹤方法，其特征在于步驟如下(1)獲取上次記錄的載波頻率和碼相位信息；(2)根據(jù)獲取的載波頻率，讀取載波查找表中對應(yīng)載波頻率和載波相位的載波數(shù)據(jù)；(3)根據(jù)獲取的碼相位信息，動態(tài)產(chǎn)生等長的C/A碼查找表，以減小查找的復雜度；(4)根據(jù)碼相位信息，讀取所述的等長C/A碼查找表中對應(yīng)的等長C/A碼；(5)采用兩段積分方法，對接收到的GPS信號、I和Q支路兩個載波數(shù)據(jù)，及所讀取的等長C/A碼進行I、Q支路早碼、即時碼和晚碼積分，兩段積分后共得到12個積分數(shù)值，這樣避免了積分跨越導航電文數(shù)據(jù)跳變位；(6)對第一段即時碼的1支路和第二段即時碼的I支路的積分數(shù)值的符號進行比較，判斷是否存在導航電文數(shù)據(jù)跳變位；(7)如果存在導航電文的數(shù)據(jù)跳變位，則將步驟(5)得到的兩段積分數(shù)值相減，如果不存在導航電文的數(shù)據(jù)跳變位，則將步驟(5)得到的兩段積分數(shù)值相加，得到共6個積分數(shù)值；(8)采用所述的6個積分數(shù)值進行環(huán)路濾波，計算新的載波頻率、載波相位和碼相位，同時設(shè)定浮點型的數(shù)據(jù)跳變位，以整數(shù)部分表示數(shù)據(jù)位的周期數(shù)，小數(shù)部分表示漂移的碼相位；采用新的載波頻率、載波相位和碼相位修正由于多普勒頻移引起的碼相位漂移；(9)判斷浮點型數(shù)據(jù)跳變位是否跨越整數(shù)，如果跨越整數(shù)則存在多普勒頻移引起的碼相位漂移，通過重同步修改方法，修正由于多普勒頻移引起的導航電文漂移，修正完后等待下一數(shù)據(jù)塊；如果不跨越整數(shù)，則不存在多普勒頻移引起的碼相位漂移，等待下一數(shù)據(jù)塊。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等長CA碼的軟件GPS接收機跟蹤方法，其特征在于所 述的步驟(5)中兩段積分為根據(jù)碼相位信息，將采樣信號在碼相位處分解為前后兩個采 樣部分。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等長CA碼的軟件GPS接收機跟蹤方法，其特征在于所 述的步驟(6)中判斷存在導航電文的數(shù)據(jù)跳變位的方法為如果兩個數(shù)值符號相同，則 說明不存在導航電文的數(shù)據(jù)跳變位；如果兩個數(shù)值符號不同，則存在導航電文的數(shù)據(jù)跳 變位。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的等長CA碼的軟件GPS接收機跟蹤方法，其特征在于所述的步驟(9)中的重同步修正方法為-(1) 根據(jù)GPS的CA碼周期為Mms，導航電文頻率為DHz,導航電文中連續(xù)1或者 連續(xù)_1的個數(shù)為n=1000/M/D;(2) 當浮點計數(shù)的導航電文數(shù)據(jù)的浮點部分從正向穿越0時，導航電文中連續(xù)1 或者連續(xù)-1的個數(shù)為n+l個，為保證導航電文中連續(xù)1或者連續(xù)-1的個數(shù)為n,在浮點 型數(shù)據(jù)跳變位正向跨越整數(shù)時，將跳變位的位置向前挪一位；(3) 當浮點計數(shù)的導航電文數(shù)據(jù)的浮點部分從反向穿越0時，導航電文中連續(xù)1 或者連續(xù)-1的個數(shù)可能為n-1個，為保證導航電文中連續(xù)1或者連續(xù)-1的個數(shù)為n，在 浮點型數(shù)據(jù)跳變位反向跨越整數(shù)時，將跳變位的位置向后挪一位。
全文摘要
一種等長CA碼的軟件GPS接收機跟蹤方法產(chǎn)生等長的CA碼查找表；讀取碼相位對應(yīng)的等長C/A碼；采用兩段積分方法，計算早碼、即時碼和晚碼的I、Q支路數(shù)值，避免積分跨越導航電文數(shù)據(jù)跳變位；對兩個累加片段的數(shù)據(jù)符號進行比較，判斷是否存在導航電文數(shù)據(jù)跳變位；分兩段使用上述六個數(shù)值進行環(huán)路濾波，計算新的載波頻率、載波相位和碼相位，并設(shè)定浮點型的數(shù)據(jù)跳變位，修正由于多普勒頻移引起的碼相位漂移；判斷浮點型跳變位是否跨越整數(shù)，這樣可以通過重同步機制，修正由于多普勒頻移引起的導航電文漂移。本發(fā)明使運算變得簡單和節(jié)省時間和空間，同時消除了跳變點和跟蹤環(huán)路誤差。
文檔編號G01S19/29GK101275997SQ20081010460
公開日2008年10月1日 申請日期2008年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月22日
發(fā)明者朱俊杰, 梁敏敏, 秦紅磊, 天 金 申請人:北京航空航天大學